Поваренная книга разработчика аналоговых схем: аналого-цифровые преобразователи 3

Рид Качмарек (Texas Instruments)

Перед вами – глава из «Поваренной книги разработчика аналоговой электроники», созданной инженерами компании Texas Instruments (TI). Многим уже знаком аналогичный цикл об операционных усилителях. Но АЦП – не менее важная часть сигнального тракта, а секретов и тонкостей в его применении никак не меньше. Приведены конкретные схемотехнические примеры, пошаговые инструкции с формулами, позволяющими адаптировать схему к конкретному проекту. Результаты расчетов дополнительно проверяются в программе SPICE-моделирования. Для каждой схемы рекомендован как минимум один АЦП производства TI, однако разработчик может использовать и другие изделия компании, широкий выбор которых представлен на страницах каталога КОМПЭЛ. От читателя требуется понимание базовых принципов работы АЦП. Если же знаний недостаточно, следует вначале ознакомиться с учебными курсами TI Precision Labs (TIPL). Авторы обещают обновлять и дополнять статьи цикла.

Мы публикуем главы Поваренной книги на нашем сайте регулярно.

Подписаться на уведомления о публикации новых глав

Измерения с использованием датчиков малой мощности: 12-битная, несимметричная схема с одним источником питания на 3,3 В, 1 ksps

Исходные данные к описываемому решению представлены в таблицах 9 и 10

Таблица 9. Входные и выходные параметры 12-битной схемы

Входной сигнал Входной сигнал АЦП Цифровой выход ADS7042
VinMin = 0 В AIN_P = 0 В, AIN_M = 0 В 000H или 010
VinMax = 3,3 В AIN_P = 3,3 В, AIN_M = 0 В FFFH или 409610

Таблица 10. Параметры источников питания 12-битной схемы

Источники питания
AVDD Vee Vdd
3,3 В 0 В 4,5 В

Описание решения

В данном решении усилитель сверхнизкой мощности используется для управления АЦП SAR, уровень энергопотребления которого в активном режиме измеряется в нановаттах. Решение предназначено для использования в системах сбора данных с датчиков с общим уровнем потребления в несколько микроватт. Примерами таких систем являются пассивные инфракрасные датчики, датчики газа и глюкометры. Значения в разделе выбора компонентов могут быть скорректированы в соответствии с требуемой скоростью передачи данных и полосой пропускания усилителя. В предыдущей части рассматривается более сложная версия схемы, где на канал отрицательного напряжения подается небольшое отрицательное напряжение (-0,3 В). Вариант схемы с одним источником питания показывает пониженную производительность, когда выходной сигнал усилителя близок к нулю. Однако в большинстве случаев конфигурация с одним источником питания является более предпочтительной благодаря простоте (рисунок 10, таблица 11).

Рис. 10 Несимметричная схема с одним ИП

Рис. 10 Несимметричная схема с одним ИП

Таблица 11. Спецификации упрощенной версии 12-битной несимметричной схемы

Спецификации Расчетное значение Смоделированное значение Измеренное значение
Ошибка установления входного сигнала АЦП (1 ksps) <0,5 × МР = 402 мкВ 41,6 мкВ
Ток питания AVDD (1 ksps) 230 нА 214,8 нА
Мощность питания AVDD (1 ksps) 759 нВт 709 нВт
Ток питания операционного усилителя VDD 450 нА 431,6 нА
Мощность питания операционного усилителя VDD 2,025 мкВт 1,942 мкВт
Мощность системы AVDD + VDD (1 ksps) 2,784 мкВт 2,651 мкВт

Рекомендуем обратить внимание

Определите линейный диапазон операционного усилителя на основе характеристик синфазного сигнала, размаха выходного напряжения и линейного коэффициента усиления напряжения. Это описано в разделе выбора компонентов.

Используйте конденсаторы COG для минимизации искажений.

Используйте пленочные резисторы 0,1% 20 ppm/°C или более высокой точности для минимизации искажений.

В серии обучающих видеороликов TI “Precision Labs – ADCs” показаны методы выбора элементов цепи зарядного сегмента Rfilt и Cfilt. Данные параметры компонентов зависят от полосы пропускания усилителя, частоты дискретизации преобразователя данных и конструкции самого преобразователя. Приведенные здесь значения позволяют получить хорошие показатели установления сигнала и динамические характеристики для усилителя и преобразователя данных в этом примере. В случае изменения дизайна вам понадобится выбрать другой RC-фильтр. Ознакомьтесь с обучающим видео “Введение в выбор компонентов для входных каскадов SAR АЦП”, в котором представлена дополнительная информация по выбору RC-фильтра для получения наилучших характеристик по установлению сигнала и переменному току.

Выбор компонентов

  • Выберите операционный усилитель с малым энергопотреблением, обладающий следующими характеристиками:
    • ток питания < 0,5 мкА;
    • частотная эффективность (GBP) > 5 кГц (пятикратная частота дискретизации);
    • стабильность при единичном усилении;

В данном руководстве выбран ОУ LPV811. Он обладает следующими характеристиками: ток питания 450 нА, частотная эффективность (GBP) 8 кГц, стабилен при единичном усилении.

  • Определите максимальное и минимальное значения выходного напряжения операционного усилителя в линейном режиме:
    • Vee + 0 В < Vout < Vdd – 0,9 В из спецификации LPV811 Vcm;
    • Vee + 10 мВ < Vout < Vdd – 10 мВ из спецификации LPV811 по размаху выходного напряжения Vout;
    • Vee + 0,3 В < Vout < Vdd – 0,3 В из спецификации LPV811 по коэффициенту усиления линейного напряжения;
    • 0,3 В < Vin < 3,4 В — комбинированный наихудший случай.

ПРИМЕЧАНИЕ. Линейный диапазон LPV811 составляет 300 мВ. Это означает, что для проектирования системы, гарантирующей полный линейный диапазон 0…3,3 В (полный диапазон ADS7042), потребуется источник отрицательного напряжения. Данная схема позволяет в полной мере получить характеристики SNR и THD ADS7042 без использования источника отрицательного напряжения. Измерения проводились при комнатной температуре, исходя из условия высокой надежности системы. В предыдущей части приведена та же схема с использованием источника отрицательного напряжения вместо заземления.

  • Типовые расчеты мощности (при 1 ksps) с ожидаемыми значениями:
    • PAVDD = IAVDD_AVG × AVDD = 230 нА × 3,3 В = 759 нВт;
    • PLPV811 = ILPV811 × (Vdd – Vee) = 450 нА × (4,5 В – 0 В) = 2,025 мкВт;
    • Pобщая = PAVDD + PLPV811 = 759 нВт + 2,025 мкВт = 2,794 мкВт.
  • Типовые расчеты мощности (при 1 ksps) с измеренными значениями:
    • PAVDD = IAVDD_AVG × AVDD = 214,8 нА × 3,3 В = 709 нВт;
    • PLPV811 = ILPV811 × (Vdd – Vee) = 431,6 нА × (4,5 В – 0 В) = 1,942 мкВт;
    • Pобщая = PAVDD + PLPV811 = 709 нВт + 1,942 мкВт = 2,651 мкВт.
  • Подберите соответствующие Rfilt и Cfilt, чтобы добиться установления сигнала при 1 ksps. Алгоритм выбора Rfilt и Cfilt представлен в видеопрезентации “Precision Labs Refine the Rfilt and Cfilt Values”. Итоговые значения в 200 кОм и 510 пФ позволяют добиться ошибки установления напряжения значительно ниже ½ младшего разряда (МР).

Передаточные характеристики для постоянного тока

На рисунке 11 показано изменение выходного линейного напряжения при изменении входного напряжения схемы повторителя от 0 до 4,5 В. Из графика видно, что полный диапазон АЦП (FSR) находится в линейной области схемы усиления.

Рис. 11. График зависимости выходного линейного напряжения при изменении входного напряжения от 0 до 4,5 В

Рис. 11. График зависимости выходного линейного напряжения при изменении входного напряжения от 0 до 4,5 В

Передаточные характеристики по переменному току

Полоса пропускания моделируется равной 7,02 кГц при коэффициенте усиления 0 дБ, что является линейным коэффициентом усиления 1. Данная величина пропускной способности позволит добиться установления сигнала при 1 ksps (рисунок 12).

Рис. 12. Полоса пропускания схемы

Рис. 12. Полоса пропускания схемы

Моделирование установления входного сигнала АЦП

Далее приводится моделирование установления входного сигнала на значение 3 В постоянного тока (рисунок 13). Данный тип моделирования показывает, что схема семплирования и удержания обратного сигнала выбрана правильно при значении ошибки в пределах ½ МР (402 мкВ). Для получения подробной информации по этому вопросу ознакомьтесь с видеопрезентацией “Introduction to SAR ADC Front-End Component Selection”.

Рис. 13. Установление входного сигнала при постоянном токе

Рис. 13. Установление входного сигнала при постоянном токе

Моделирование шума

В этом разделе описывается метод упрощенного расчета уровня шума (формула 1). В приведенных вычислениях мы пренебрегаем шумом резистора, поскольку он затухает при частотах выше 10 кГц.

$$f_{C}=\frac{1}{2\pi \times R_{filt}\times C{filt}}=\frac{1}{6.28 \times 200\:кОм \times 510\:пФ}=1.56\:кГц\\E_{n}=e_{n811}\times \sqrt{K_{n}\times f_{C}}=\frac{340\:нВ}{\sqrt{Гц}}\times \sqrt{1.57\times 1.56\:кГц}=16.8\:мкВ\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

Обратите внимание, что рассчитанные и смоделированные значения совпадают (рисунок 14). Для получения подробной информации по этому вопросу ознакомьтесь с видеопрезентацией “Calculating the Total Noise for ADC Systems”.

Рис. 14. Частотная характеристика уровня шума

Рис. 14. Частотная характеристика уровня шума

Мера БПФ

Данная характеристика была измерена на модифицированной версии ADS7042EVM-PDK (рисунок 15). Получены следующие характеристики по переменному току: SNR = 70,8 дБ, THD = –82,7 дБ и ENOB (эффективное количество бит) = 11,43, что хорошо согласуется с указанными характеристиками АЦП — SNR = 70 дБ.

Рис. 15. Измеренные характеристики БПФ и переменного тока для ADS7042 и LPV811 с двумя источниками питания

Рис. 15. Измеренные характеристики БПФ и переменного тока для ADS7042 и LPV811 с двумя источниками питания

Компоненты 12-битной несимметричной схемы для датчиков малой мощности представлены в таблице 12.

Таблица 12. Компоненты 12-битной несимметричной схемы для датчиков малой мощности

Наименование Основные характеристики
ADS7042* 12-разрядное разрешение, SPI, частота дискретизации 1 Msps, односторонний вход, диапазон входного сигнала AVDD 1,6…3,6 В
LPV811** Ширина полосы 8 кГц, выходной сигнал с равной напряжению питания амплитудой, ток питания 450 нА, стабильность при единичном усилении
* – В АЦП ADS7042 AVDD используется в качестве опорного входного сигнала. В качестве источника питания следует использовать LDO-регулятор с высоким уровнем подавления пульсаций, такой как TPS7A47.
** – Операционный усилитель LPV811 также часто применяется в низкоскоростных решениях для датчиков. Кроме того, выходной сигнал с амплитудой, равной напряжению питания, обеспечивает линейный размах по всему диапазону входного напряжения АЦП.

Дополнительные материалы

Файлы Tina для измерений с использованием датчиков малой мощности.

Список ранее опубликованных глав

    1. Способ прямого согласования входа АЦП ПП (SAR) без буферного усилителя
    2. Измерения с использованием датчиков малой мощности: 12-битная несимметричная схема с двумя источниками питания на 3,3 В при 1 ksps
•••

Наши информационные каналы

О компании Texas Instruments

В середине 2001 г. компании Texas Instruments и КОМПЭЛ заключили официальное дистрибьюторское соглашение, которое явилось результатом длительной и успешной работы КОМПЭЛ в качестве официального дистрибьютора фирмы Burr-Brown. (Как известно, Burr-Brown вошла в состав TI так же, как и компании Unitrode, Power Trend и Klixon). С этого времени компания КОМПЭЛ получила доступ к поставке всей номенклатуры производимых компанией TI компонентов, технологий и отладочных средств, а также ...читать далее

Товары
Наименование
LPV811DBVT (TI)
LPV811DBVR (TI)
ADS7042IDCUT (TI)
ADS7042IRUGR (TI)
ADS7042EVM-PDK (TI)
ADS7042IDCUR (TI)
Рубрики: